Sistema de Posicionamento tridimensional (HDRM)

De seguida irei fazer uma descrição de um dos instrumentos da experiência de teste do HDRM. Ainda que esta experiência não tenha sido avançada, irei descrever o processo de desenvolvimento deste instrumento pelo facto de ter sido da minha responsabilidade.

4.6.1 Requisitos do sistema

A utilização de uma suspensão magnética com recurso a supercondutores impõe a existência de um sistema de posicionamento e fixação, dos objetos a suportar, enquanto não se tiver atingido a fase supercondutora. Como referido, no nosso projeto, este sistema foi apelidado de HDRM (Hold-Down

Release Mechanism) e permitiria ainda a recolocação, sempre que necessária, do objeto na posição

correta (permite uma repetibilidade elevada ao longo de todo o tempo de vida do sistema, caso contrario, dissipações, etc. iriam impossibilitar essa repetibilidade).

Este subsistema terá que conseguir erguer uma massa de 12kg e posiciona-la com extrema repetibilidade (menos do que ±50µm numa direção e ±120µm nas outras duas), terá também de operar em vácuo e à temperatura de 15K, pelo que o isolamento térmico constituí um requisito central da montagem de teste deste sistema.

Devido à necessidade de medir a posição da massa em todas as direções em simultâneo e devido às dificuldades inerentes à temperatura e consequente condução térmica do objeto da medição, a utilização de processos que funcionem com contacto mecânico não é aconselhável. Este critério elimina uma grande parte dos sensores comercialmente disponíveis, sendo que o custo dos mesmos já é por si bastante limitativo.

4.6.2 Solução proposta, problemas e correção

As soluções a equacionar teriam de envolver grandezas físicas que se propaguem em vácuo, pelo que, numa visão pragmática, seriam possibilidades as seguintes grandezas: campos elétricos estáticos, campos magnéticos estáticos e campos eletromagnéticos.

Devido à proximidade do sistema a materiais magnéticos e possíveis correntes elétricas induzidas, e por uma questão de simplicidade, a solução proposta é a de incidir um feixe laser, radiação eletromagnética, na massa e medir a posição das reflexões obtidas (a utilização de reflexões permite uma análise geométrica simples, se o sistema utilizar superfícies planas).

Por causa do ambiente de vácuo da experiência, e, portanto, da baixa dissipação térmica, a alternativa mais viável seria a de posicionar o laser no exterior da camara de vácuo, impondo a utilização de uma janela para a entrada do feixe e, portanto, tornando a utilização de mais de um feixe algo custoso e/ou complicado. A solução passa assim por encontrar um método de dividir o feixe e utilizar os vários feixes emergentes para medir a posição por reflexão.

4.6.3 Sensores PSD

Por facilidade, e possível utilização para medição de deslocamentos rápidos, foram escolhidos para detetores da posição dos reflexos os sensores PSD (Position Sensitive Device).

Um sensor PSD é um tipo de fotodíodo extenso que permite medir diretamente a localização da média aritmética da distribuição de intensidade espacial do feixe de luz incidente.

De modo geral estes sensores são compostos de um fotodíodo extenso aonde se deposita uma camada de material resistivo na superfície posterior. As cargas excitadas pela radiação incidente são conduzidas

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por esta camada resistiva para um dos dois contactos elétricos que se encontram nos extremos opostos da mesma. Comparando a quantidade de corrente que flui através dos dois contactos (localizados nos extremos da camada) é possível averiguar a posição de incidência do feixe.

Na realidade cada ponto de incidência contribuí para a corrente em cada contacto de uma forma linear à intensidade incidente nele e à distancia ao contacto, e são estas duas linearidades que permitem concluir que a posição avaliada pela comparação das duas correntes é na realidade a média geométrica da distribuição do feixe.

A operação destes sensores com o recurso a dois elétrodos permite, sendo uma medição feita em simultâneo, excluir erros que advenham de flutuações de intensidade de luz, flutuações térmicas etc, sendo todos estes erros eliminados através da normalização dos valores medidos à soma dos mesmos, isto é, estas flutuações afetam as medições nos dois extremos de modo igual e podem portanto ser descartadas se a medida for feita pela relação entre os dois lados e não pela medição de cada um em separado(Fujita and Idesawa).

Figura 4.18- Diagrama ilustrativo do paradigma de processamento dos sinais dos detetores PSD : o Ponto de incidência do feixe de luz funciona como uma fonte de corrente cuja intensidade é dividida entre duas resistências. As resistências apresentadas nos contactos são assim, respetivamente, (0,5 + distância ao centro/tamanho do detetor)*Rentre contactos e (0,5 -

distância ao centro/tamanho do detetor)*Rentre contactos

4.6.4 Teste de estimação de performance

Com o fim de testar a sensibilidade que poderíamos obter através da utilização de sensores PSD com um circuito simples de transimpedância (amplificador operacional com uma resistência na retroação) desenhou-se a seguinte experiencia:

• A fonte de laser foi montada num estágio de translação (resolução de 1µm), em cima da mesa ótica, e o feixe alinhado para incidir perpendicularmente na superfície do detetor, que se encontrava solidário com a mesa. • Através da movimentação da mesa de translação e com

recurso a um programa de aquisição em labview desenvolvido para este efeito, foi possível estimar o tipo de resolução e ruído obtido com o detetor e a eletrónica a ela aplicada.

Figura 4.19 – Circuito de transimpedância utilizado na utilização dos sensores PSD.

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• O sinal resultante do pré-amplificador de transimpedância foi adquirido por uma placa de aquisição National Instrumentstm_.

Figura 4.20 - Esquema ilustrativo da experiência de estimação da performance do sistema de deteção com sensores PSD e a eletrónica aplicada

Da experiência descrita foram obtidos alguns dados, dos quais os mais relevantes se apresentam na Figura 4.21 e Figura 4.22. Dos outros testes destacam-se a repetibilidade em posição de ±3,16µm e a constatação da ausência de uma tendência temporal a menos de alguns minutos, ou até horas

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Figura 4.21 – gráfico dos pontos medidos e dos valores obtidos pela regressão linear.

Figura 4.22 – erros relativos à reta da regressão linear. Pode-se confirmar que correspondem a valores muito inferiores aos limites da resolução que necessitamos por parte do sistema, que seria algo na ordem dos 10µm.

4.6.5 Design Finalizado

Foram consideradas inúmeras geometrias com espelhos e Beam-splitters.

Porque o objeto cuja posição queremos medir teria uma amplitude térmica dos 300K aos 15K, torna- se impensável ter os sensores PSD montados no mesmo, assim, os sensores PSD seriam colocados perto do objeto, mas apenas um sistema passivo de espelhos e Beam-splitterssolidários com o objeto móvel.

Esta movimentação é assumida como sendo de translação, e nunca de rotação, por simplicidade e pelo comportamento esperado do mecanismo HDRM, responsável pelo deslocamento a medir.

A medição será resultante do deslocamento dos feixes refletidos, provocados pelo movimento das superfícies que os refletem. Para que tal aconteça é necessário que o ângulo de incidência nunca seja nulo (num feixe incidente normal à superfície nenhuma translação afeta a posição do feixe emergente). Na conceção do sistema uma dificuldade destacou-se. Não conseguimos desenvolver um sistema de medição de coordenadas ortogonais em que as superfícies refletoras se deslocassem, relativamente às suas normais, independentemente.

Assim sendo, para um sistema que efetua a medição das três coordenas em paralelo, a única solução encontrada foi a de que duas das três superfícies refletoras estivessem numa disposição que levasse a que as suas medidas fossem dependentes entre elas. A computação do efeito desta dependência permite a transformação matemática para um sistema de três resultados independentes.

Na montagem concebida irão ser empregues 3 detetores PSD (Figura 4.23), dois voltados frente a frente (PSDl1 e PSDl2) e uma perpendicular a estes (PSD).

O processamento proposto para a análise dos valores medidos é apresentado de seguida(Por simplicidade o processamento é feito de modo diferencial em relação aos pontos iniciais, ajustados para corresponderem aos centros dos sensores PSD).

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ΔPSDn= ΔZ+ΔY

ΔPSDl1= ΔZ+ΔX

ΔPSDl2= ΔZ-ΔX

Assim poder-se-à calcular a variação das coordenadas por: ΔZ= (ΔPSDl1+ ΔPSDl2)/2

ΔX= (ΔPSDl1- ΔPSDl2)/2

ΔY= ΔPSDn – (ΔPSDl1+ ΔPSDl2)/2

Figura 4.23 - Sistema de medição de posição através de um feixe laser, dois beam-splitters e um espelho. Sistema fixo à massa cuja movimentação terá de ser medida. A vermelho estão representados os feixes incidentes e emergentes do conjunto

ótico; a verde (o pedaço posterior não está visível) encontram-se os detetores PSD que medem o ponto de incidência do feixe. De reparar a interdependência intencional das medições dos dois feixes laterais (há duas direções de movimento que

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